Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Galliumnitrid - das neue Material für die Leistungselektronik

09.12.2009
Silizium ist das klassische Material für elektronische Bauteile. Wissenschaftler des Ferdinand-Braun-Instituts entwickeln nun Leistungstransistoren aus Galliumnitrid, die robuster, schneller und effizienter sind.

Leistungstransistoren sind die zentralen Bauelemente in elektrischen Leistungskonvertern, die Gleich- und Wechselstrom umwandeln und auf unterschiedliche Spannungen transformieren können.

In Handyladegeräten sind sie ebenso zu finden wie in der Motoransteuerung eines ICE. Auch in der automobilen Elektronik spielen derartige Leistungskonverter eine entscheidende Rolle. Ihr Wirkungsgrad und ihre Leistungsdichte wird den Erfolg fast aller Green-Car-Konzepte zukünftiger Hybrid- und Elektroautos entscheidend mitbestimmen, denn die Leistungselektronik wird neben dem eigentlichen Elektroantrieb zur Bremsenenergierückgewinnung, für intelligente Batterieladekonzepte und das Bordnetz benötigt. Maßgebliche Entwicklungsimpulse gehen daher inzwischen von der Automobilindustrie aus.

Seit über 50 Jahren ist Silizium der Baustoff dieser Elektronikbauteile. Die Technologie ist mittlerweile jedoch so weit fortgeschritten, dass das Material selbst an seine Grenzen stößt. Bessere Materialeigenschaften verspricht Galliumnitrid (GaN). Im Bereich der Mikrowellentechnik werden bereits Hochfrequenzleistungstransistoren aus Galliumnitrid eingesetzt, zum Beispiel in Mobilfunkbasisstationen.

In einem laufenden und zwei beantragten Projekten will das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie nun neuartige Galliumnitrid-Transistoren für die Leistungselektronik entwickeln. Dabei wird die gesamte Wertschöpfungskette von der Entwicklung bis zum fertigen Produkt abgedeckt. Dr. Oliver Hilt vom FBH beschreibt sein Ziel: "Wir streben effizientere Energieumwandler an, die dann beispielsweise in Hybrid- und Elektroautos, aber auch in Photovoltaik-Anlagen eingesetzt werden."

Galliumnitrid hat gegenüber Silizium einen entscheidenden Vorteil: Es hat einen hohen Bandabstand von 3,4 Elektronenvolt gegenüber 1,1 Elektronenvolt bei Silizium. Dadurch ist es möglich, GaN-Transistoren bei höheren Temperaturen zu betreiben. Der Kühlaufwand sinkt und Gewicht und Baugröße der Leistungskonverter verringern sich. Bei einem Elektroauto zum Beispiel bedeutet dies eine deutliche Energieersparnis. Galliumnitrid hat außerdem eine höhere Durchbruchfeldstärke. Im Vergleich zu einem gleich großen Siliziumtransistor können damit größere Spannungen geschaltet werden. In der Folge treten weniger Leistungsverluste auf. Darüber hinaus sorgt eine hohe Sättigungsgeschwindigkeit der Elektronen für schnellere Schaltgeschwindigkeiten - die Konvertermodule können noch kleiner werden. Die neuen GaN-Leistungstransistoren des FBH werden mehrere 10 Ampere bei Spannungen bis 1000 Volt und mehr schalten. Insgesamt haben Leistungskonverter mit Galliumnitrid-Transistoren einen höheren Wirkungsgrad als jene mit Silizium-Transistoren. Sie sind robuster, schneller und effizienter.

"Ein wichtiges Problem haben wir schon gelöst", sagt Oliver Hilt. In der Leistungselektronik muss der Transistor aus Sicherheitsgründen vollständig ausgeschaltet sein, wenn keine Spannung an der Steuerelektrode anliegt. Einen solchen Transistor nennt man selbstsperrend. Das ist jedoch bei Galliumnitrid-Transistoren üblicherweise nicht der Fall: In der Mikrowellentechnik ist der Transistor bei null Volt Gatespannung immer noch im eingeschalteten Zustand. Man spricht von einem selbstleitenden Transistor. Um diesen Transistor auszuschalten, ist eine negative Gatespannung nötig. Die Einsatzspannung der FBH-Transistoren konnte von minus fünf Volt auf plus ein bis zwei Volt verschoben werden. "Damit sind wir ausreichend weit im positiven Bereich, um die Transistoren in der Leistungselektronik einsetzen zu können", erklärt Oliver Hilt. "Zusätzlich konnten wir den Einschaltwiderstand niedrig halten und damit gehören unsere selbstsperrenden GaN-Transistoren weltweit zu den besten."

Gesine Wiemer | idw
Weitere Informationen:
http://www.fbh-berlin.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter
23.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Materialwissenschaft: Widerstand wächst auch im Vakuum
22.06.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften